大直徑鋁合金壓力容器橢圓形拼焊封頭研究

田志杰蘇志強(qiáng) 杜晗 刁禹

（首都航天機(jī)械公司）

大直徑鋁合金壓力容器橢圓形拼焊封頭研究

田志杰*蘇志強(qiáng) 杜晗 刁禹

（首都航天機(jī)械公司）

分析了在兩個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)的直徑3350 mm的鋁合金橢圓形封頭的差異。采用母材與焊縫分別計(jì)算的方法，設(shè)計(jì)了適用于工程實(shí)際的等匹配橢圓形拼焊封頭。在0.56 MPa承載條件下，母材設(shè)計(jì)厚度為4.98 mm，焊接區(qū)設(shè)計(jì)厚度為8.3 mm，單側(cè)減薄過(guò)渡，焊縫加厚區(qū)的寬度不小于40 mm。用單面兩道的焊接方式拼焊封頭時(shí)，焊縫斷口位于熱影響區(qū)，封頭焊接區(qū)安全系數(shù)達(dá)到2.77。

橢圓形封頭焊接低匹配鋁合金厚度壓力容器

0 引言

運(yùn)載火箭貯箱是一種鋁合金制的壓力容器，其封頭是重要的承壓部件。隨著運(yùn)載火箭貯箱的需求及安全性要求的提高，封頭的制造精度要求也相應(yīng)提高。橢圓形封頭作為一種受力良好、結(jié)構(gòu)優(yōu)越的封頭形式被廣泛采用[1-5]，而大直徑封頭制造時(shí)宜采用分瓣壓制和拼焊成形的方式[6-8]。

運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化要求越來(lái)越高，其中推進(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化越來(lái)越關(guān)鍵。在內(nèi)壓載荷作用下，大型薄壁貯箱結(jié)構(gòu)圓筒殼與半球殼的變形不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致焊接區(qū)有較大彎曲應(yīng)力，采用高強(qiáng)度鋁合金焊接裝配方法難以實(shí)現(xiàn)等應(yīng)力設(shè)計(jì)[9-10]?，F(xiàn)役型號(hào)運(yùn)載火箭貯箱封頭材質(zhì)為2A14鋁合金，該鋁合金為Al－Cu－Mg－Si系析出強(qiáng)化型高強(qiáng)鍛造鋁合金，其焊縫與熱影響區(qū)容易產(chǎn)生過(guò)燒與裂紋，接頭延伸率低。大直徑鋁合金封頭分瓣壓制、拼焊成形時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)的性能在整個(gè)封頭的制造過(guò)程中顯得尤為重要，設(shè)計(jì)時(shí)必須與工藝相結(jié)合[11]。

鋁合金焊縫與母材的力學(xué)性能差異會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度失配[12-14]。2A14鋁合金熔焊焊縫為低匹配結(jié)構(gòu)，接頭強(qiáng)度系數(shù)僅為0.6左右。為提高低匹配接頭的承載能力，要以焊縫與母材承載能力相等為目標(biāo)，進(jìn)行低匹配對(duì)接接頭的等強(qiáng)設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)板材為2A14鋁合金，其化學(xué)成分列于表1，材料力學(xué)性能如表2所示。

表1 2A14鋁合金化學(xué)成分(%)

表2 2A14鋁合金的力學(xué)性能

1.2 封頭設(shè)計(jì)要求

封頭直徑為3350 mm，橢圓長(zhǎng)短軸比值為1.6，計(jì)算壓力為0.56 MPa。

2 母材厚度計(jì)算

2.1 計(jì)算厚度

封頭母材計(jì)算厚度按照下式計(jì)算：

式中K——橢圓形封頭形狀系數(shù)，由文獻(xiàn)[1]查得，該值為0.76；

pc——計(jì)算壓力，MPa；

δh——封頭計(jì)算厚度，mm；

Di——封頭內(nèi)徑，mm；

φ——焊接接頭系數(shù)，此值為1.0。

依據(jù)文獻(xiàn)［1］，材料許用應(yīng)力≥≥σ=143 MPa；依據(jù)文獻(xiàn)［2］，材料許用應(yīng)力≥≥σ=108 MPa。

將各設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)代入式（1），并依據(jù)文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］可分別得：

2.2 設(shè)計(jì)厚度與名義厚度

依據(jù)文獻(xiàn)［1］，設(shè)計(jì)厚度δdh為計(jì)算厚度δh與腐蝕裕量C2之和；名義厚度δnh為設(shè)計(jì)厚度δdh加上材料厚度負(fù)偏差C1后向上圓整至材料規(guī)格的厚度。依據(jù)運(yùn)載火箭貯箱服役特點(diǎn)，貯箱充入推進(jìn)劑燃料后，幾十個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)發(fā)射，故腐蝕裕量C2取0 mm，5～6 mm厚鋁合金材料厚度存在負(fù)偏差0.3 mm，化銑減薄負(fù)偏差0.2 mm。設(shè)計(jì)厚度δdh為4.98 mm，由于運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化要求越來(lái)越高，需要將箭體質(zhì)量降到最低，因此名義厚度δnh為5.5 mm。

依據(jù)文獻(xiàn)［2］，設(shè)計(jì)厚度δdh為6.6 mm，名義厚度δnh為7.1 mm。

3 焊縫厚度計(jì)算

2A14鋁合金焊接時(shí)，焊縫性能經(jīng)過(guò)熱處理過(guò)程后可以得到強(qiáng)化，但強(qiáng)化效果（抗蝕性、強(qiáng)度及塑性）不如母材。焊接接頭熔合區(qū)晶粒長(zhǎng)大、過(guò)燒以及熱影響區(qū)的退火軟化和過(guò)時(shí)效，決定了焊縫拉伸的斷裂部位發(fā)生在這一區(qū)域。

采用鎢級(jí)氬弧焊焊接后，焊縫強(qiáng)度僅為基體金屬?gòu)?qiáng)度的60%，是典型的低匹配結(jié)構(gòu)。由于貯箱結(jié)構(gòu)尺寸大，不可能進(jìn)行整體焊后熱處理。為彌補(bǔ)焊接區(qū)的強(qiáng)度下降，采取局部增加焊接區(qū)厚度的措施來(lái)補(bǔ)償。

利用式（1）并依據(jù)文獻(xiàn)［1］，計(jì)算得到接頭處計(jì)算厚度為：

接頭處設(shè)計(jì)厚度δdh2為8.3 mm，名義厚度δnh2為8.8 mm。

利用式（1）并依據(jù)文獻(xiàn)［2］，計(jì)算得到接頭處計(jì)算厚度為：

4 封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 母材與焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［2］計(jì)算得到的封頭厚度各不相同。對(duì)于靜止且長(zhǎng)期服役的鋁制容器，為了提高其耐熱、耐壓、耐腐蝕的能力及可靠性，宜采用文獻(xiàn)［2］的計(jì)算結(jié)果。然而對(duì)于飛行過(guò)程輕質(zhì)化、減重要求強(qiáng)烈的運(yùn)載火箭，工程上采用文獻(xiàn)［1］的計(jì)算結(jié)果，封頭名義厚度為為5.5 mm，焊接區(qū)名義厚度為8.8 mm。

低匹配焊縫余高及蓋面焊道寬度的適當(dāng)增加，能夠降低焊縫內(nèi)部應(yīng)力，有助于低匹配接頭焊縫區(qū)承載能力的提高。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，為了得到等匹配的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及良好的受載狀態(tài)，采用焊接區(qū)加厚的結(jié)構(gòu)形式，需要利用化學(xué)銑的方式進(jìn)行厚板的減薄處理。工程上，采用單側(cè)減薄的工藝加工零件，如圖1所示。同時(shí)，為了保證母材與焊縫區(qū)域等匹配的效果，焊縫加厚區(qū)的寬度一般不小于40 mm。

圖1 焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2 封頭結(jié)構(gòu)

直徑3350 mm的鋁合金封頭分瓣壓制、拼焊成形時(shí)，采用8塊分瓣、45°均分的形式，封頭分瓣大端尺寸為1316 mm，封頭頂蓋直徑為1400 mm，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 封頭設(shè)計(jì)圖與實(shí)物

為了提高生產(chǎn)效率，控制產(chǎn)品外觀形貌，瓜瓣的裝配及焊接順序應(yīng)該合理、科學(xué)。優(yōu)化的裝配工藝流程如下：對(duì)焊接區(qū)域清理后，將八塊瓜瓣以刻線、協(xié)調(diào)定位孔定位，分別安裝在模胎上；利用壓緊機(jī)構(gòu)固定瓜瓣，實(shí)現(xiàn)焊縫之間無(wú)錯(cuò)邊，零件與工裝貼合緊密；對(duì)圖2中顯示的8條焊縫制定合理的焊接順序，產(chǎn)品的焊接流程順序?yàn)?→5→4→8→6→2→3→7，封頭頂蓋環(huán)縫最后焊接。

5 封頭焊接工藝評(píng)定

5.1 接頭強(qiáng)度

根據(jù)橢圓封頭焊接區(qū)的厚度，選取8.8 mm厚度長(zhǎng)平板進(jìn)行單面自動(dòng)化焊接試驗(yàn)，焊接工藝采用氦弧打底、氬弧蓋面的復(fù)合焊接方式。焊接完成的焊縫成型美觀，焊縫正面均勻一致（如圖3所示），接頭缺陷發(fā)生率低，無(wú)氣孔、裂紋等焊接缺陷（如圖4所示）。

圖3 焊縫正面成型

圖4 焊縫X射線檢測(cè)底片

對(duì)焊接試片取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，斷口位于熱影響區(qū)（如圖5所示），抗拉強(qiáng)度性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度值為265～285 MPa。這說(shuō)明采用單面兩層自動(dòng)化焊接方法，滿足生產(chǎn)要求。

5.2 焊接區(qū)安全系數(shù)

橢圓形封頭的最大工作壓力由下式計(jì)算：

式中δeh——封頭的有效厚度，其值為名義厚度減去腐蝕裕量及材料厚度負(fù)偏差。

圖5 焊縫斷口位置

將有效厚度8.3 mm、接頭強(qiáng)度265 MPa、接頭強(qiáng)度系數(shù)0.9代入式（2），計(jì)算得到：

6 結(jié)論

本文分析了在兩個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)的直徑3350 mm的鋁合金橢圓形封頭的差異。

（1）采用GB 150.1～150.4與JB/T 4734兩種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得出的鋁合金封頭厚度各不相同，按后者標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果較大。

（2）大直徑運(yùn)載火箭2A14鋁合金封頭拼焊制造時(shí)，工程上采用母材與焊縫分別設(shè)計(jì)的方式，在0.56 MPa承載條件下，母材設(shè)計(jì)厚度為4.98 mm，名義厚度為5.5 mm；焊接區(qū)設(shè)計(jì)厚度為8.3 mm，名義厚度為8.8 mm，焊縫加厚區(qū)的寬度不小于40 mm。

（3）采用氦弧打底、氬弧蓋面的復(fù)合焊接方式。焊接工藝評(píng)定結(jié)果顯示，斷口位于熱影響區(qū),封頭焊接區(qū)安全系數(shù)達(dá)到2.77。

[1]壓力容器：GB 150.1～150.4—2011[S].

[2]鋁制焊接容器：JB/T 4734—2002[S].

[3]壓力容器封頭：GB/T 25198—2010[S].

[4]華凱旋，余小魯，王柯智.大型壓力容器厚壁封頭成形工藝及質(zhì)量控制研究現(xiàn)狀分析[J].鍛壓技術(shù)，2015，40(2)：8-14.

[5]CARBONARI R C，et al.Design of pressure vessels using shape optimization：An integrated approach[J]. TheInternationalJournalofPressureVesselsand Piping，2011，88(5-7)：198-212.

[6]陳帥峰,王守東,雷玉川，等.大型厚壁橢圓封頭多次熱沖壓成形分析[J].鍛壓技術(shù)，2015，40(2)：37-40，59.

[7]王妍娜.大直徑球形封頭沖壓展開下料尺寸的計(jì)算[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28(9)：46-48.

[8]劉英東.大型厚板瓜瓣封頭頂圓板成型技術(shù)的改進(jìn)[J].壓力容器，2015，32(3)：66-70.

[9]黃誠(chéng)，雷勇軍.大型運(yùn)載火箭低溫復(fù)合材料貯箱設(shè)計(jì)研究進(jìn)展［J］.宇航材料工藝,2015(2):1-7.

[10]章凌,黃誠(chéng),方岱寧,等.大型薄壁貯箱焊接區(qū)等應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2015，32(4):593-596.

[11]周廣文.推進(jìn)劑貯箱優(yōu)化設(shè)計(jì)的思考[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2011(1)：26-28.

[12]吳松林，薛鋼，曲占元，等.低匹配對(duì)接接頭尺寸設(shè)計(jì)原則研究［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2014(2)：14-17.

[13]趙智力，方洪淵，楊建國(guó)，等.低匹配對(duì)接接頭的“等承載”設(shè)計(jì)及拉伸疲勞行為［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(10)：75-80.

[14]段小雪，張彥華，熊林玉，等.裂紋位置對(duì)強(qiáng)度失配焊接接頭極限載荷的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，2013，34 (6)：93-96.

杭氧股份公司12.8 MPa高壓板翅式換熱器研制成功

2016年11月，杭氧股份公司板式廠兩臺(tái)設(shè)計(jì)壓力為12.8 MPa的高壓板翅式換熱器產(chǎn)品分別成功完成了最終壓力試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)壓力達(dá)到16.7 MPa。這兩臺(tái)產(chǎn)品的成功研制表明，杭氧股份公司研制多年的高壓板翅式換熱器取得了歷史性的突破，徹底打破了國(guó)外公司在10 MPa及以上等級(jí)高壓板翅式換熱器的技術(shù)壟斷，為10 MPa及以上等級(jí)高壓板翅式換熱器的國(guó)產(chǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在長(zhǎng)達(dá)兩年的研制過(guò)程中，以杭氧股份公司板式廠為主的技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的科研試驗(yàn)，有效開展了國(guó)際合作和“產(chǎn)學(xué)研”的結(jié)合，充分運(yùn)用了德國(guó)多特蒙德大學(xué)的失效分析結(jié)論和成果，在材料控制技術(shù)、模具成型技術(shù)、高壓翅片及高效低阻波紋型翅片研制技術(shù)、清洗工藝、部裝工藝和真空纖焊工藝等工藝技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新和突破，并取得了多項(xiàng)發(fā)明專利。杭州市特檢院和英國(guó)Lloyd's授權(quán)檢驗(yàn)師現(xiàn)場(chǎng)見證了整個(gè)水壓試驗(yàn)過(guò)程。

（江鎮(zhèn)海）

Study on the Elliptical Tailor-welded Head of Aluminum Alloy Pressure Vessel with Large Diameter

Tian ZhijieSu ZhiqiangDu HanDiao Yu

The differences of elliptical aluminum alloy heads with diameters of 3350 mm designed under two different standards were analyzed.By using the method of calculating the base metal and the weld separately,the equal matching elliptic welding head was designed for engineering practice.Under the load of 0.56 MPa,the design thickness of base metal was 4.98 mm and that of weld zone was 8.3 mm.The work piece was obtained by one side decrement,and the width of thickened weld zone was not less than 40 mm.When the head was welded by using single sided welding process with two welds,the weld fracture was located in the heat affected zone,and the safety coefficient achieved 2.77.

Elliptical head;Welding;Low match;Aluminum alloy;Thickness;Pressure vessel

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.009

2016-04-01)

*田志杰，男，1975年生，碩士研究生，高級(jí)工程師。北京市，100076。